پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
انواع سیستم قاب خمشی و ضوابط آن
برای مقابله با نیروهای جـانبی وارد بـر سـازه، بـه ویـژه نیروهای زلزله، از دیرباز، سیستم‌های گوناگونی مورد مطالعـه قرار گرفته و در نهایت تعدادی از آنها توسط آیین‌نامه‌ها بـه رسمیت شناخته شده و ضوابط مربوط به طراحـی و سـاخت آنها بیان شده است. از میان آنها می‌توان به سیستم‌هـای سازهای که شامل مهاربندی، دیـوار برشـی، قـاب خمـشی و سیستم‌های دوگانه یا ترکیبی اشـاره کـرد. در دسـته‌بنـدی دیگر سیستم‌های سازهای بر اساس میزان شکل‌پذیری و بـه عبارت دقیقتر بر اساس استهلاک انرژی به هنگام وقوع زلزله و میزان تغییر مکان فرا ارتجاعی که می‌توانند بـدون کـاهش قابل ملاحظه مقاومت داشته باشند، به انواع با شـکلپـذیری کم، متوسط، زیاد یا در بیان دیگر به انـواع سیـستم‌هـای معمـولی، متوسـط و ویـژه دسـته‌بنـدی مـی‌شـود.
اسـتفاده از سیستم قاب خمشی معمولی، برای مناطق با خطر لرزه‌ای بسیار زیاد و زیاد، ممنوع است.
معرفی سیستم‌های سازهای سیستم قاب خمشی
در سیستم سـازه‌ای بارهای قائم توسط قاب‌های ساختمانی تحمل شده و مقاومـت در برابر نیروهای جانبی توسط قاب‌های خمشی تأمین می‌شود.
قاب خمشی معمولی
قاب خمـشی معمـولی بـه قـابی اطلاق می‌شود که اجزای تشکیل دهنده آن، دارای آن چنان جزئیاتی است کـه تغییرشـکل‌های فرا ارتجـاعی انـدکی را در برابر زلزله طرح از خود نشان بدهد.
قاب خمشی متوسط
قاب خمـشی متوسـط بـه قـابی اطلاق می‌شود که در برابـر نیروهـای جـانبی زلزلـه بتوانـد، تغییرشکل‌های فرا ارتجاعی محـدودی را تحمل کند. در طراحی این قاب‌ها سعی بر آن است که در یک یـا دو انتهـای تیر، در خارج از محدوده اتـصال تیـر بـه سـتون، مفـصل‌های پلاستیک تشکیل شوند. مفاصل پلاسـتیک دارای ظرفیـت دورانی به حدی باشند کـه دوران نظیـر تغییر مکـان جـانبی نسبی طبقه، حداقل به ۰/۰۲ رادیان برسد کـه حـدود ۰/۰۱ رادیان آن در ناحیه فرا ارتجاعی باشد.
قاب خمشی ویژه
اب خمـشی ویـژه بـه قـابی اطـلاق می‌شود که در برابر نیروهای جانبی زلزله بتوانـد تغییرشـکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای را تحمل کند. در طراحی ایـن قاب‌هـا سعی بر آن است کـه در یـک یـا دو انتهـای تیـر، در خـارج از محدوده اتصال تیر به ستون، مفصل‌های پلاستیک تشکیل شوند و مفاصل پلاستیک دارای ظرفیـت متنـاظر تغییرمکـان جـانبی نسبی طبقه، حداقل به انـدازه ۰/۰۴ رادیـان باشـد کـه حـدود ۰/۰۳ رادیان آن در ناحیه فرا ارتجاعی است.
سیستم‌های دوگانه یا ترکیبی
نوعی سیستم سازهای است که در آن بارهای قائم عمدتاً توسط قاب‌های سـاختمانی تحمل می‌شـوند. مقاومـت در برابـر بارهـای جـانبی توسـط مجموعه‌ای از دیوارهای برشـی یـا قاب‌هـای مهاربنـدی شـده همراه با مجموعه‌ای از قاب‌های خمشی صورت می‌گیرد. سهم باربری جانبی هر یک از دو مجموعـه بـا توجـه بـه سـختی جانبی و اندرکنش آن دو، درتمام طبقات تعیـین مـی‌شـود. قاب‌های خمشی قادرند به تنهایی، حداقل ۲۵ درصـد نیـروی جانبی وارد به ساختمان را تحمل کنند.
قاب مهاربندی شده همگرای ویژه
قاب‌های مهاربندی شده همگرای ویژه به قاب‌هایی گفته می‌شـود کـه در آنهـا از مهاربندها انتظار می‌رود تحت اثـر بـار جـانبی زلزلـه طـرح، تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای را تحمـل کننـد و در آنها کاهش مقاومت چندانی رخ ندهد. رفتـار فرا ارتجـاعی مورد نظر ممکن است بـه مرحلـه بعـد از کمـانش مهاربنـد توسعه یابد. به این ترتیب پیکره‌بندی (جانمـایی) و طراحـی مهاربند و اتصالات آن بایـد چنـان باشـد کـه از عهـده ایـن تغییرشکل‌ها برآید و رفتار تیرها و سـتون‌ها در قـاب عمـلاً در مرحله ارتجاعی باقی بماند.
ضوابط لرزه‌ای قاب خمشی ویژه
مقاطع ستون‌ها باید از نوع فشرده لرزه‌ای باشـند. ضـوابط آیین‌نامه برای مقاطع فشرده لرزه‌ای سـخت گیرانـه‌تـر از مقاطع فشرده است. ضوابط آیین‌نامه برای مقاطع فشرده و فشرده لرزه‌ای در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان مقایسه شده‌اند. در سـتون‌ها اسـتفاده از مقطـع متـشکل از چنـد نیمـرخ بستدار مجاز نیست. ظرفیت بار محوری ستون در فشار یـا کـشش، بـدون در نظر گرفتن لنگر خمشی وارد بر آن، نبایـد کمتـر از بـار محوری تعیین شده در ترکیب بـار زلزلـه تـشدید یافتـه باشد.
در ناحیه بحرانی ایجـاد هر گونـه تغییـر در ضـخامت یـا پهنای بال تیر مجاز نیست. برشگیرهایی که برای مرکب کردن دال بتن آرمه و تیرها به کار برده می‌شود نباید در ناحیه بحرانی نصب شود. استفاده از تیرهای لانه زنبوری مجاز نیست. در طراحی تیرها برای خمش ضابطه اضافی خاصی وجود ندارد. اما در طراحی آنها برای برش بایـد نیـروی برشـی اضافی ناشی از ایجاد لنگرهای خمـشی قابـل انتظـار در مفاصل پلاستیک دو انتهای تیر در نظر گرفته شود.اتصال تیر به ستون باید برای لنگر خمشی و نیروی برشی قابل انتظار در بر ستون، طراحی شود.
ضوابط لرزه‌ای قاب خمشی متوسط
الزامات مربوط به طراحی اعضاء و اتصالات آنهـا در ایـن قاب‌ها عمدتاً همان الزامات مربوط بـه قاب‌هـای خمـشی ویـژه است که در آنها موارد سختگیرانه کمتری لحاظ شده است. برخی استثنائات این قاب‌ها از قرار زیر است.
- مقاطع تیرها و ستون‌ها از نوع فشرده بوده ولـی لازم نیست ضوابط فشردگی لرزه‌ای را ارضاء نماید.
- در سـتون‌ها اسـتفاده از مقطـع متـشکل از چنـد نیمـرخ بستدار مجاز است، مشروط بـر ایـن کـه خمـش در ستون حول محور با مصالح باشد.
- در طراحی تیرها برای برش می‌توان یـا الزامـات قاب‌هـای خمشی ویژه را رعایت کرد و یا برش ایجاد شده در تیـر تحت اثر ترکیـب بـار زلزلـه تـشدید یافتـه و هـر کـدام کوچکترند را به کار برد.
- در طراحی اتصال تیر بـه سـتون بـرای خمـش و بـرش می‌توان یا الزامات قاب‌های خمشی ویژه را رعایت کرد و یا لنگر خمشی و بـرش ایجـاد شـده در اتـصال تحـت اثـر ترکیب بار زلزله تشدید یافته و هر کدام کوچکترند را به کار برد.
ضوابط لرزه‌ای قاب خمشی معمولی
در طراحی سازه‌های فولادی چنانچه در محاسبه نیـروی جانبی زلزله، بر اساس ضوابط مبحـث شـشم مقـررات ملـی ساختمان مقدار ضریب رفتار R، برابر یـا کمتـر از ۵ منظـور شود، رعایت ضوابط لرزه‌ای الزامی نیست. استفاده از این سیـستم بـرای سـاختمان‌های بـا اهمیـت خیلـی زیـاد و زیـاد در تمـام منـاطق لــرزه‌خیـزی و بــرای ساختمان‌های با اهمیت متوسط در مناطق لرزه‌خیـزی مجــاز نیست. ارتفــاع حــداکثر ایــن سیــستم بــرای ساختمان‌های با اهمیت متوسط در مناطق لرزه‌خیـزی به ۱۵ متر محدود می‌شود.
ضوابط لرزه‌ای قاب‌های مهاربندی ویژه
در قاب‌های مهاربندی ویژه، مقاطع مهاربندها و سـتون‌های مجاور مهاربندها باید از نوع فشرده لرزه‌ای باشند. بـا افـزایش ضـریب رفتار سازه کنترل تغییر مکان جانبی نسبی نیز سختگیرانه‌تر می‌شود، همچنین برای سازه‌های با زمان تناوب بیـشتر از ۰/۷ ثانیه نیز، تغییر مکان جانبی نسبی مجاز طبقات کـاهش یافته است. یعنی ممکن است با افزایش ضریب رفتار سازه و کاهش نیروی جانبی وارد به سازه ابعـاد مقـاطع مـورد نیـاز سازه کاهش یابد، اما تأمین تغییر مکان جـانبی نـسبی مجـاز سازه نیاز به اعضای بزرگتر دارد. در سازه‌های مـورد بررسـی در این پژوهش، در ساختمان چهار طبقـه، بـرای هـر چهـار سیستم سازهای مورد مطالعه، طراحی اعضاء، تنها به بارهای رسیده بـه آن عـضو وابـسته است. تغییر مکـان نـسبی طبقات سازه حاصل از طراحی نیرویی اعضاء، بدون نیاز به هیچگونه تغییر در اعضای سازه، در همه طبقات کمتر از تغییر مکان نسبی مجاز آیین‌نامه بوده است. در ساختمان شش طبقه، در سازه‌های قاب خمشی، به علت افزایش طبقات، پریود تجربی سازه، بیش از ۰/۷ ثانیه است. لذا بر اساس آنچه که قبلاً گفته شد، تغییر مکان نسبی مجاز آیین‌نامه سختگیرانه تر است.
از این رو در این سـازه‌ها پس از طـراحی اعضـاء بـرای نیروهای داخلی، مشاهده شد که تغییر مکان نسبی تمامی طبقات، فراتر از تغییر مکان نسبـی مجـاز آییـن‌نامه است. به همیـن دلیل باید مقاطع اعضاء را افزایش داد تا تغییر مکان نسبی طبقات، به تغییر مکان نسبی مجاز کاهش یابد. به عنوان یک راه حل ساده، در مواردی که تغییر مکان نسبی همه طبقات فراتر از تغییـر مکـان نسبـی مجاز است، پیشنهاد می‌شود فرآیند طراحی سازه، برای برش پایه بالاتری تکرار شود، تا مقاطع اعضاء در سراسر سازه به صورت هماهنگ، افزایش یابد.
در ساختمان شش طبقه و در سازه دوگانه، پریود تجربی سازه، کمتر از ۰/۷ ثانیه است. همچنان مقاطع به دست آمده از طراحی نیرویی اعضاء، تغییر مکان نسبی سازه را کمتر از تغییر مکان نسبی مجاز نگه می‌دارد. در سـاختمان هـشت طبقه، در سازه‌های قاب خمشی، فرآیند ذکر شـده در مـورد ساختمان شش طبقه، عیناً تکرار می‌شود. اما در سازه دوگانه با وجود این که پریود سـازه، بـیش از ۰/۷ ثانیـه است، همچنان طراحی نیرویی اعضاء حاکم است و تغییرمکان نـسبی طبقـات بـه میزان قابل توجهی کمتر از تغییر مکان نسبی مجاز است.
بررسی قیمت سازه‌های مورد مطالعه
اجرای اتصالات و جوشکاری‌ها در سیستم ویژه از حساسیت بیشتری برخوردار است. با این وجود ردیف‌های قیمت مندرج در فهرست بهای ابنیه عمدتاً مبتنی بر وزن مصالح مصرفی است، یعنی در همه سیستم‌های سازهای، رابطه بین وزن سازه و قیمت اجرای آن، تقـریباً خطی است سایر ضوابط، مانند ضوابطی که برای افزایش شکل‌پذیری یـا کنترل تغییر مکان نسبی طبقات وجود دارد، موجب می‌شـود که مقاطع به دست آمده، نیاز به تقویت داشته باشند. بـرای مثال، سازه خمشی ویژه، بالاترین ضریب رفتـار و در نتیجـه کمترین برش پایه را داراست. اما تغییر مکان نسبی مجاز آن نیز کمترین مقدار از بین سیستم‌های مختلف است، که برای کنترل تغییر مکان نسبی طبقات باید مقاطع اعضاء را افزایش داد و سازه سنگینتر می‌شود. همچنین در سازه قاب خمشی ویژه باید از مقـاطع فـشرده لـرزه‌ای بـرای تیرهـا و سـتون‌ها استفاده کرد که این ضابطه نیز منجر به سنگینتر شدن سازه می‌شود. در اتصالات تیـر بـه سـتون، کمتـرین وزن قطعـات اتصال در سازه قاب خمشی معمولی مشاهده می‌شـود. از آن جا که این سازه شکل‌پذیری کمی دارد، اتصالات تیر به ستون در این سازه برای نیروهای موجود طراحی می‌شـود، امـا در سازه قاب خمشی متوسط، اتصال تیر به ستون برای کمترین مقدار از بین نیروهای حاصل از ترکیب بار زلزله تشدید یافته و نیروهای مورد انتظار ظرفیت خمشی تیر، طراحی می‌شود، در نتیجه وزن قطعات اتصال افزایش می‌یابد.
در سـازه قـاب خمشی ویژه، اتصالات تیر به ستون باید برای حداکثر ظرفیت خمشی تیر طراحی شود که موجب سنگینتر شدن قطعـات اتصال می‌شود. همچنین تعبیه ورق های پیوستگی در چشمه اتصال ستون، برای سازه‌های قـاب خمـشی متوسـط و قـاب خمشی ویژه الزامی است. در سازه دوگانه، به دلیل نـامعینی بالاتر سیستم و مشارکت مهاربندها در باربری لرزه‌ای، سختی سازه افزایش یافته، تغییر مکان جانبی سازه کـاهش یافتـه و سازه سبکتر می‌شود. در سازه دوگانه، طراحی نیرویـی اعـضاء حـاکم اسـت و بـه دلیـل مشارکت مهاربندها در باربری لرزه‌ای سازه، تیرها و ستون هایی که در دهانه مهاربندی قرار ندارنـد، سـهم بـسیار انـدکی از نیروی جانبی زلزله دارند و تقریباً بارهای ثقلـی در طراحـی مقاطع آنها تعیین کننده است. لـذا سـازه دوگانـه بـرای ساختمان‌های با ارتفاع گوناگون، به طور قابل ملاحظه‌ای سبکتر از سایر سیستم‌های سازهای است.
با توجه به این که در فهرست‌های ابنیه، قیمـت سـازه فـولادی عمدتاً مبتنی بر فولاد مصرفی است می‌توان با مقایـسه وزن سازه‌های مورد مطالعه عملاً اقتصادی‌ترین سیـستم سـازه‌ای را نیز یافت.
در ساختمان چهـار طبقـه بـرای سیـستم‌هـای سـازه‌ای مختلف، با افزایش ضریب رفتار و در نتیجـه کـاهش نیـروی جانبی اعمالی به سازه، در همه سـازه‌هـا، ابعـاد مقـاطع تیـر کاهش می‌یابد ولی ستون‌ها، در سیستم‌های سـازه‌ای کـه بـر اساس آیین‌نامه، طراح موظف به استفاده از مقـاطع فـشرده لرزه‌ای است به رغم کاهش نیروی طراحی، ابعـاد سـتون‌ها را باید به منظور برآوردن ضوابط فشردگی لـرزه‌ای نـسبت بـه ابعاد حاصل از تحلیل نیرویی افزایش داد. در ساختمان شش و هشت طبقه، در همه سیـستم‌هـای سازهای مفروض به غیر از سیستم دوگانه، کنترل تغییر مکان جانبی نسبی سازه، بر طراحی حاکم بوده است. به طوری که پــس از طراحــی مقــاطع بــرای نیروهــای وارده، کنتــرل تغییر مکان جانبی نسبی سازه منجر به افزایش قابل ملاحظه‌ای در ابعاد مقاطع، وزن سـازه و در نتیجـه افـزایش هزینـه می‌شود. این در حالی اسـت کـه در سیـستم دوگانـه چنـین رویدادی مشاهده نمی‌شود و عملاً سازهای که برای بارهـای وارده طراحی شده ضوابط کنترل تغییر مکان را نیـز بـرآورده می‌نماید. به عنوان مثال، سیستم دوگانه در مقایسه بـا قـاب خمشی ویژه، به رغم این که به علت تفاوت در ضریب رفتـار باید برای ۳۰ درصد برش پایه بیشتر طراحی شود. ولی این برش پایه را بـا ۴۰ درصـد تغییر مکـان جـانبی کمتـر و ۴۰ درصد مصالح مصرفی کمتـر تحمـل مـی‌کنـد. بنـابراین بـه راحتی می‌توان نتیجه گرفت که برای سـاختمان‌های شـش و هشت طبقه سیستم دوگانه اقتصادی‌تر است. منبع:همیارناظر